Technisches Datenblatt für die 5,0mm Infrarot-LED IR333-A - T-1 3/4-Gehäuse - Spitzenwellenlänge 940nm - Vorwärtsspannung 1,5V

1. Produktübersicht

Die IR333-A ist eine hochintensive Infrarot (IR)-Emissionsdiode in einem standardmäßigen 5,0mm (T-1 3/4) blauen Kunststoffgehäuse. Diese Komponente ist darauf ausgelegt, Licht mit einer Spitzenwellenlänge (λp) von 940 Nanometern zu emittieren, die optimal mit gängigen siliziumbasierten Fotodetektoren wie Fototransistoren, Fotodioden und Infrarot-Empfängermodulen harmoniert. Ihre Hauptfunktion besteht darin, als zuverlässige Infrarotlichtquelle in verschiedenen Sensor- und Übertragungssystemen zu dienen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die IR333-A bietet mehrere entscheidende Vorteile, die sie für industrielle und konsumentenelektronische Anwendungen geeignet machen. Sie zeichnet sich durch eine hohe Strahlungsintensität aus, die eine starke Signalübertragung gewährleistet. Sie arbeitet mit einer niedrigen Vorwärtsspannung, was zur Energieeffizienz beiträgt. Die Komponente ist unter Berücksichtigung der Umweltkonformität entwickelt, ist bleifrei, entspricht den EU REACH-Verordnungen und erfüllt halogenfreie Standards (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Ihr Anschlussabstand von 2,54mm macht sie kompatibel mit Standard-Steckplatinen und Leiterplatten. Die Zielmärkte umfassen Industrieautomatisierung, Unterhaltungselektronik, Sicherheitssysteme und Datenkommunikationsschnittstellen, wo zuverlässige Infrarotsignalisierung erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden an der Komponente auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Dauer-Vorwärtsstrom (IF):100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden kann, ohne die Leistung oder Lebensdauer der LED zu beeinträchtigen.
• Spitzen-Vorwärtsstrom (IFP):1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen mit einer Pulsbreite ≤ 100μs und einem Tastverhältnis ≤ 1% zulässig. Dies ermöglicht sehr kurze, hochintensive Lichtimpulse, die für bestimmte Sensor- oder Kommunikationsprotokolle nützlich sind.
• Sperrspannung (VR):5 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung über die LED angelegt werden kann. Eine Überschreitung kann zum Durchbruch führen.
• Betriebstemperatur (Topr):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, innerhalb dessen der Betrieb der Komponente gemäß ihren Spezifikationen garantiert ist.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung der Komponente im nicht betriebenen Zustand.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 10 Sekunden. Dies definiert die Grenzwerte des Reflow-Lötprofils, um eine Beschädigung des Gehäuses zu verhindern.
• Verlustleistung (Pd):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Dies ist die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter, gemessen unter einer Standardtestbedingung von Ta=25°C, definieren die Leistung der Komponente unter normalen Betriebsbedingungen.

• Strahlungsintensität (Ie):Dies ist die pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) emittierte optische Leistung. Bei einem Standardtreiberstrom von 20mA beträgt der typische Wert 20 mW/sr, mit einem Minimum von 7,8 mW/sr und einem Maximum von 48 mW/sr. Unter gepulsten Bedingungen (100mA, Tastverhältnis ≤1%) steigt die typische Intensität auf 85 mW/sr, und beim Spitzenpulsstrom von 1A kann sie 750 mW/sr erreichen. Dies zeigt die Fähigkeit der Komponente für Hochleistungsanwendungen bei gepulster Ansteuerung.
• Spitzenwellenlänge (λp):940 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die LED die meiste optische Leistung emittiert. Sie eignet sich gut für den Einsatz mit Siliziumdetektoren, die im nahen Infrarotbereich eine gute Empfindlichkeit aufweisen.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):45 nm (typisch). Dies gibt den Bereich der emittierten Wellenlängen an, der um den Spitzenwert zentriert ist. Eine schmalere Bandbreite kann vorteilhaft sein, um Umgebungslichtrauschen herauszufiltern.
• Vorwärtsspannung (VF):Bei 20mA beträgt die typische Vorwärtsspannung 1,5V (min 1,2V, max für 20mA in der Tabelle nicht spezifiziert, aber durch andere Bedingungen impliziert). Diese relativ niedrige Spannung trägt zu einem geringeren Stromverbrauch bei. Die Spannung steigt mit dem Strom, wie durch 1,4V (typ) bei 100mA gepulst und 2,6V (typ) bei 1A gepulst gezeigt wird.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 μA bei VR=5V. Dies ist der kleine Leckstrom, der fließt, wenn die Komponente in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):20 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Maximalwerts (auf der Achse) abfällt. Ein Winkel von 20 Grad zeigt einen mäßig fokussierten Strahl an, der für gerichtete Sensoranwendungen nützlich ist.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Datenblatt enthält eine Binning-Tabelle für die Strahlungsintensität, eine gängige Praxis zur Kategorisierung von LEDs basierend auf gemessener Leistung.

3.1 Binning der Strahlungsintensität

LEDs werden basierend auf ihrer gemessenen Strahlungsintensität bei IF=20mA in verschiedene "Bins" oder Ränge (M, N, P, Q, R) sortiert. Dies ermöglicht es Konstrukteuren, Bauteile mit einem garantierten Mindestleistungsniveau für ihre Anwendung auszuwählen. Beispielsweise garantiert die Auswahl eines "Q"-Bin-Bauteils eine Strahlungsintensität zwischen 21,0 und 34,0 mW/sr. Dieses System gewährleistet Konsistenz in Produktionsläufen. Das Datenblatt zeigt für diese spezifische Artikelnummer kein Binning für Spitzenwellenlänge oder Vorwärtsspannung an, was auf eine enge Kontrolle oder eine einzelne Spezifikation für diese Parameter hindeutet.

4. Analyse der Leistungskurven

Die typischen Kennlinienkurven bieten wertvolle Einblicke in das Verhalten der LED unter variierenden Bedingungen. Obwohl die spezifischen grafischen Datenpunkte im Text nicht angegeben sind, ermöglichen die referenzierten Kurven die folgende Analyse.

4.1 Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.1)

Diese Kurve würde typischerweise die Reduzierung des maximal zulässigen Vorwärtsstroms bei steigender Umgebungstemperatur zeigen. Um Überhitzung zu verhindern und die Zuverlässigkeit sicherzustellen, muss der Dauer-Vorwärtsstrom bei Betrieb über 25°C reduziert werden. Die absolute maximale Verlustleistung von 150mW ist der begrenzende Faktor.

4.2 Spektrale Verteilung (Abb.2)

Diese Darstellung visualisiert die relative optische Leistungsabgabe als Funktion der Wellenlänge. Sie würde eine glockenförmige Kurve zeigen, die bei 940 nm zentriert ist, mit der spektralen Bandbreite von 45 nm. Dies hilft, die Reinheit des Infrarotlichts und seine Übereinstimmung mit der spektralen Empfindlichkeit des Detektors zu verstehen.

4.3 Spitzenemissionswellenlänge vs. Temperatur (Abb.3)

Die Spitzenwellenlänge einer LED hat einen Temperaturkoeffizienten und verschiebt sich typischerweise zu längeren Wellenlängen (Rotverschiebung), wenn die Sperrschichttemperatur steigt. Diese Kurve quantifiziert diese Verschiebung für die IR333-A, was für Anwendungen wichtig ist, die eine präzise Wellenlängenabstimmung erfordern.

4.4 Vorwärtsstrom vs. Vorwärtsspannung (IV-Kurve) (Abb.4)

Diese grundlegende Kurve zeigt die exponentielle Beziehung zwischen der über die LED angelegten Spannung und dem resultierenden Strom. Sie ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung. Die Kurve zeigt die typische "Knie"-Spannung (ca. 1,2-1,5V) und wie die Spannung mit steigendem Strom ansteigt.

4.5 Strahlungsintensität vs. Vorwärtsstrom (Abb.5)

Diese Kurve demonstriert die sublineare Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausbeute. Während die Intensität mit dem Strom steigt, nimmt der Wirkungsgrad (Lichtausbeute pro elektrischer Eingangsleistung) bei sehr hohen Strömen typischerweise aufgrund erhöhter Wärmeentwicklung ab. Die Daten aus der Tabelle (20mA -> 20 mW/sr typ, 100mA gepulst -> 85 mW/sr typ) deuten auf diese Beziehung hin.

4.6 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung (Abb.6)

Dies ist das räumliche Abstrahlungsmuster der LED. Es stellt die normierte Intensität als Funktion des Winkels von der Mittelachse dar. Für eine 5mm-LED mit einer Linsenkalotte ist dieses Muster typischerweise lambertisch oder nahezu lambertisch. Der spezifizierte Abstrahlwinkel von 20 Grad (2θ1/2) ist ein Schlüsseldatenpunkt aus dieser Kurve, der die Breite des Strahls definiert.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Die IR333-A verwendet das industrieübliche T-1 3/4 (5,0mm Durchmesser) Gehäuse. Der Anschlussabstand beträgt 2,54mm (0,1 Zoll), was der Standardrastermaß für Durchsteckbauteile auf Leiterplatten ist. Das Gehäusematerial ist blauer Kunststoff, der bis zu einem gewissen Grad als sichtbares Lichtfilter wirken kann, um zu verhindern, dass Umgebungslicht die Chip erreicht und potenziell Rauschen im Detektorkreis verursacht. Die Kathode wird typischerweise durch eine abgeflachte Stelle am Gehäuserand und/oder einen kürzeren Anschluss identifiziert. Konstrukteure müssen die detaillierte Gehäusezeichnung (impliziert durch den Abschnitt "Gehäuseabmessungen") für genaue Maße und Toleranzen (±0,25mm sofern nicht anders angegeben) konsultieren.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C für eine Dauer von nicht mehr als 10 Sekunden. Dies ist ein typischer Wert für bleifreie Reflow-Lötprozesse. Für Handlötung sollte ein temperaturgeregelter Lötkolben verwendet werden, und die Kontaktzeit sollte minimiert werden, um thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und den internen Bonddrähten zu verhindern. Während der Handhabung und Montage sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, da LEDs empfindliche Halbleiterbauelemente sind. Die Lagerung sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40°C bis +100°C in einer trockenen Umgebung erfolgen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist wie folgt: 200 bis 500 Stück sind in einem Beutel verpackt. Fünf Beutel werden dann in eine Box gelegt. Schließlich werden zehn Boxen in einen Masterkarton verpackt. Das Etikett auf der Verpackung enthält kritische Informationen für Rückverfolgbarkeit und Identifikation: Kundeneigene Produktionsnummer (CPN), Produktionsnummer (P/N), Packmenge (QTY), Ränge (CAT, bezieht sich auf das Intensitäts-Bin), Spitzenwellenlänge (HUE), einen Referenzcode und die Losnummer (LOT No), die einen Code für den Herstellungsmonat enthält.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Freistrahl-Übertragungssysteme:Verwendung in Fernbedienungen, Kurzstrecken-Datenverbindungen oder Näherungssensoren, bei denen ein Infrarotsignal durch die Luft übertragen wird.
• Optoelektronische Schalter & Objekterkennung:Gepaart mit einem Fototransistor oder einer Fotodiode, um einen Unterbrechungssensor für Zähl-, Positionserfassungs- oder Endschalter zu erstellen.
• Diskettenlaufwerk:Historisch verwendet, um das Vorhandensein eines Schreibschutztabs oder einer eingelegten Diskette zu erkennen.
• Rauchmelder:Eingesetzt in Abschwächungs-Rauchmeldern, bei denen Rauchpartikel einen Infrarotlichtstrahl zwischen einer LED und einem Detektor streuen.
• Allgemeine Infrarot-Anwendungssysteme:Jedes eingebettete System, das eine zuverlässige, modulierte oder kontinuierliche IR-Lichtquelle benötigt.

8.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauelement. Ein Vorwiderstand oder eine Konstantstrom-Treiberschaltung ist zwingend erforderlich, um den Vorwärtsstrom auf einen sicheren Wert zu begrenzen (z.B. 20mA für Dauerbetrieb). Der Widerstandswert kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R = (Versorgungsspannung - VF) / IF.
• Wärmemanagement:Obwohl die Verlustleistung gering ist, erzeugt der Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen oder nahe dem Maximalstrom Wärme. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung oder reduzieren Sie den Betriebsstrom gemäß der Reduktionskurve.
• Optische Ausrichtung:Für maximale Signalstärke in einem gepaarten Sender-Empfänger-System ist eine präzise mechanische Ausrichtung entscheidend, insbesondere bei einem Abstrahlwinkel von 20 Grad.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:In Umgebungen mit starkem Umgebungs-IR-Licht (z.B. Sonnenlicht) kann die Modulation des LED-Ansteuersignals und die Verwendung einer auf diese Modulationsfrequenz abgestimmten Detektorschaltung das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessern.
• Schutz vor Sperrspannung:Obwohl die Komponente bis zu 5V in Sperrrichtung tolerieren kann, ist es gute Praxis, eine Sperrvorspannung zu vermeiden. In Wechselstrom- oder bipolaren Schaltungen kann eine parallel geschaltete Schutzdiode (Kathode an Anode) notwendig sein.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu generischen 5mm IR-LEDs sind die Hauptunterscheidungsmerkmale der IR333-A ihre klar spezifizierte hohe Strahlungsintensität (bis zu 48 mW/sr min für den R-Bin) und ihre umfassende Umweltkonformität (RoHS, REACH, halogenfrei). Das detaillierte Binning-System bietet garantierte Leistungsniveaus, was für die Designkonsistenz in der Serienproduktion wesentlich ist. Die 940nm Wellenlänge ist eine der gebräuchlichsten und vielseitigsten und bietet einen guten Kompromiss zwischen Detektorempfindlichkeit und geringerer Absorption in der Atmosphäre im Vergleich zu längeren Wellenlängen. Ihre niedrige Vorwärtsspannung kann im Vergleich zu LEDs mit höherer Vf in batteriebetriebenen Geräten zu einem etwas geringeren Stromverbrauch führen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

1. F: Kann ich diese LED direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?A: Nein. Ein Mikrocontroller-Pin kann typischerweise nicht sicher 20mA liefern, und noch wichtiger, es gibt keine Strombegrenzung. Sie müssen einen Transistor als Schalter und einen Vorwiderstand verwenden, um den Strom auf den gewünschten Wert zu begrenzen (z.B. 20mA). Berechnen Sie den Widerstand mit R = (5V - 1,5V) / 0,02A = 175Ω. Verwenden Sie den nächstgelegenen Standardwert (z.B. 180Ω).
2. F: Was ist der Unterschied zwischen Dauer- und Pulsbetrieb?A: Dauerbetrieb (DC) erzeugt konstante Wärme. Pulsbetrieb (mit niedrigem Tastverhältnis) ermöglicht einen viel höheren Momentanstrom (bis zu 1A), weil die LED zwischen den Pulsen Zeit zum Abkühlen hat, was eine thermische Überlastung verhindert. Dies ergibt eine viel höhere optische Spitzenleistung.
3. F: Wie identifiziere ich die Kathode?A: Suchen Sie bei diesem Gehäuse nach einer abgeflachten Stelle am Kunststoffrand der LED. Der Anschluss, der dieser flachen Stelle am nächsten ist, ist die Kathode. Zusätzlich ist der Kathodenanschluss oft kürzer als der Anodenanschluss.
4. F: Ist ein Kühlkörper erforderlich?A: Für Dauerbetrieb bei 20mA (ca. 30mW Verlustleistung) ist im Allgemeinen kein Kühlkörper erforderlich. Wenn Sie nahe dem Maximalstrom (100mA DC) oder bei hohen Umgebungstemperaturen arbeiten, berücksichtigen Sie die thermische Reduktion und sorgen Sie möglicherweise für eine gewisse Kühlung auf Leiterplattenebene.
5. F: Warum ist das Gehäuse blau?A: Der blaue Kunststoff wirkt als Filter, der etwas sichtbares Licht blockiert, wodurch das Gehäuse dunkel erscheint. Dies hilft, die Menge an Umgebungslicht, die in das Gehäuse eindringen und den IR-emittierenden Chip erreichen kann, zu reduzieren, was sonst Störungen im Detektorkreis verursachen könnte.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors:Eine häufige Anwendung ist ein Unterbrechungssensor. Platzieren Sie die IR333-A auf einer Seite und einen Fototransistor (z.B. auf 940nm abgestimmt) auf der anderen Seite, auf derselben Achse ausgerichtet. Steuern Sie die LED mit einem 180Ω Widerstand von einer 5V Versorgung an, was etwa 20mA Strom ergibt. Wenn ein Objekt zwischen ihnen hindurchgeht, unterbricht es den Infrarotstrahl. Der Kollektor-Emitter-Widerstand des Fototransistors ändert sich dramatisch. Diese Änderung kann mit einem Pull-up-Widerstand in ein Spannungssignal umgewandelt und einem Komparator oder einem Mikrocontroller-ADC-Pin zugeführt werden, um die Anwesenheit des Objekts zu erkennen. Um Umgebungslicht zu bekämpfen, könnten Sie die LED mit einer bestimmten Frequenz (z.B. 1kHz) pulsieren und einen Bandpassfilter oder eine synchrone Detektion im Empfängerkreis verwenden.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt ist (positive Spannung an der Anode relativ zur Kathode), werden Elektronen aus dem n-Typ-Gebiet und Löcher aus dem p-Typ-Gebiet in den Übergangsbereich injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, setzen sie Energie frei. In einer IR-LED wird diese Energie hauptsächlich in Form von Photonen (Lichtteilchen) im Infrarotspektrum freigesetzt. Die spezifische Wellenlänge (in diesem Fall 940nm) wird durch die Bandlückenenergie der verwendeten Halbleitermaterialien (Gallium-Aluminium-Arsenid - GaAlAs, wie im Geräteauswahlleitfaden angegeben) bestimmt. Das Kunststoffgehäuse umschließt den Chip, bietet mechanischen Schutz und enthält eine Linse, die das emittierte Licht in das spezifizierte Abstrahlwinkelmuster formt.

13. Technologietrends

Die Infrarot-LED-Technologie entwickelt sich ständig weiter. Allgemeine Trends in der Industrie umfassen die Entwicklung von Bauteilen mit noch höherer Strahlungsintensität und Wandlungseffizienz (optische Leistung / elektrische Leistung). Es gibt auch einen Trend zur Miniaturisierung, wobei oberflächenmontierbare (SMD) Gehäuse für platzbeschränkte Anwendungen verbreiteter werden als Durchsteckgehäuse wie das T-1 3/4. Die Nachfrage nach spezifischen, schmalen Wellenlängenbändern wächst für spezialisierte Anwendungen wie Gassensorik oder biomedizinische Überwachung. Darüber hinaus ist Integration ein Schlüsseltrend, wobei kombinierte Sender-Empfänger-Paare in einzelnen Gehäusen oder LEDs mit integrierten Treibern verfügbar werden, um den Schaltungsentwurf zu vereinfachen und den Platzbedarf zu reduzieren.